02.27 航天飛機運載機興衰錄——難能可貴的技術探索

作為軍迷,不僅僅對B-2這種隱身戰略轟炸機感興趣,對F-22的先進性津津樂道,航天領域也是軍迷所關注的點。因為航天領域很多技術和軍事都相關,譬如火箭技術和彈道導彈,衛星和偵察等。今天我們所講的,就是大型飛機和航天飛機的那些事。這些畫面,可能比航母戰鬥群都來的震撼。

自從1961年4月12日尤里·加加林乘坐“東方1號”飛船進入外層空間、實現人類進軍太空的夢想之後,如何解決載人航天器使用上的經濟性問題成為了擺在有志將航天員送入太空的國家面前的一個難題。載人航天飛船和空間實驗室雖然能解決航天員進入太空和返回大氣層內的問題,但從設計上來說屬於一次性航天器,可以說在經濟上不太划算。而1977年“企業”號航天飛機的研製成功,則為這個問題提供了一個較為圓滿的解決方案。不過,航天飛機雖然能夠重複運用,但其在應用上仍然存在一些麻煩,其中航天飛機在不同任務區域的調動、以及在大氣層內進行試驗時如何升空,是一個相當關鍵的問題。而為了解決這個問題,航天飛機運載機這種非常特殊的大型飛機應運而生,並見證了航天飛機的興起與落幕。

航天飛機運載機興衰錄——難能可貴的技術探索

□由波音747-100客機改裝的NASA905馱運“企業”號航天飛機起飛。使用大型飛機運輸航天飛機,是人類對航空器與航天器有機組合的最初嘗試

雖然航天飛機名義上是一種兼具在大氣層內外飛行能力的航天器,但事實上航天飛機在大氣層內飛行時限制很多。航天飛機在設計上主要考慮作為可重複使用的載人航天器、以將航天員安全地送入外層空間或撤回大氣層內為主要任務,同時還要執行軌道載人航天器的各類任務,因此機上有很多不利於在大氣層內飛行的“死重”、且氣動設計僅僅考慮了升空時儘量降低空氣阻力和返回時能依託自身機翼和機體受到的升力安全滑翔著陸,而沒有考慮過依靠自身動力從地面滑跑起飛並在大氣層內飛行的問題。所以,航天飛機雖然像固定翼飛機一樣擁有機翼和尾翼,但事實上航天飛機並不具備在大氣層內飛行的能力。

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□完成最後一次飛行任務後著陸的“發現”號航天飛機。從該機面積狹小的機翼、空氣阻力不小的“方盒”型機身和發動機短艙,不難明白航天飛機在大氣層內的飛行能力是個什麼水平

在航天飛機難以實現大氣層內飛行的問題上,航天飛機的發動機選取也是一個很重要的原因。美國的航天飛機配用的RS-25D發動機本質上是一種火箭發動機、用途侷限於調整飛行姿態、並在發射升空時提供部分推力。而蘇聯雖然計劃為“暴風雪”號和後續的航天飛機配裝AL-31渦扇發動機(即蘇-27戰鬥機的動力裝置)來改善大氣層內飛行性能,但在“暴風雪”號的發射試驗中並沒有採用這一設計,其後因蘇聯解體導致航天飛機計劃被打斷並最終流產,這種設想再也沒有實踐的機會。當然,考慮到“暴風雪”號航天飛機與它的美國同行們一樣基本沒有考慮大氣層內的空氣動力學問題,所以即便安裝了AL-31發動機,其在大氣層內飛行的能力也不會太好。因此,如果要讓航天飛機在不同的部署地點進行機動,寄希望於其能像固定翼飛機一樣在一個機場起飛昇空、再進行長距離飛行降落到另一個機場是不現實的(這是空天飛機才具有的能力),而必須依靠外力。

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□與“能源”號助推火箭進行連接組合中的“暴風雪”號航天飛機。雖然該機有配裝渦扇發動機改善大氣層內飛行能力的打算,但這個設想最終未能實現

為了解決航天飛機在大氣層內,特別是發射場、降落場、維修保障基地之間的轉運問題,美國國家航空航天局(NASA)在“企業”號研製的同時,選擇了使用大型飛機運載航天飛機作為機動手段。這一構想並不新鮮,這種使用大型飛機背馱小型飛機形成組合式飛行器的概念,早在二戰期間就已經出現過。當時,德國空軍為空襲歐洲大陸上的重要目標,採用了戰鬥機與裝載炸藥的自殺式轟炸機組合的“槲寄生”組合,並執行了多次作戰任務。從概念上來說,“槲寄生”與航天飛機運載機存在顯著區別,特別是其控制終端在被揹負的小型飛機上、大型飛機僅作為載重平臺和被控制機體的設計,與航天飛機運載機恰好相反。但“槲寄生”的成功實踐,證明使用大型飛機揹負小型航空器飛行能確保結構穩定、對飛行性能的影響也有限,因此可以認為“槲寄生”側面證實了使用大型飛機揹負運載航天飛機的可行性。

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□Me109戰鬥機和改裝後的Ju88自殺式轟炸機組成的“槲寄生”飛行體。這種看起來怪模怪樣的組合,卻是組合式飛行體概念的鼻祖

而在航天飛機運載機的選取上,當時NASA面臨著很多種選擇。“企業”號航天飛機長37.2米,寬23.8米,高17.4米,空重72.6噸,理論上載重能力超過100噸的大型運輸機都可以用於“企業”號的運載。在眾多平臺當中,NASA選擇了當時還很新銳的波音747-100客機。這種客機全長70.6米、最大起飛重量超過330噸、可進行超過10000千米的遠程飛行,同時便於採購零件進行維護保養,因此很適合作為航天飛機的運載機平臺。1974年,代號NASA905的航天飛機運載機改裝完畢,與其他波音747-100相比,該機在外觀上最顯著的區別在於水平尾翼兩端增加了防止揹負航天飛機時產生的擾流乾擾穩定的垂直穩定器,另外在機身背部安裝了用於對接航天飛機的Mate-Demate Device(MDD)設備。1977年2月18日,“企業”號首次由NASA905揹負升空,證明了這種組合的可行性。此後,NASA905與另一架波音747-100改裝而來的NASA911成為美國僅有的兩架航天飛機運載機。值得一提的是,雖然在“發現”號航天飛機於2011年3月9日完成最後一次飛行任務之後航天飛機暫時退出了歷史舞臺,但NASA905卻仍然繼續服役、並“改行”成為了無人機運載平臺。老實說,考慮到無人機與航天飛機在重量和體積上的差異,這未免有點大材小用了。

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□NASA905揹負波音公司的“幻影射線”無人機。對於以揹負航天飛機為最初設計任務的NASA905來說,馱運這種“小不點”實在是小菜一碟

而說起NASA905在蘇聯的“同行”和競爭對手,人們想到的往往是曾揹負“暴風雪”號航天飛機的安-225重型運輸機,但實際上安-225並非唯一一架設計上用於運載航天飛機的蘇聯飛機。1977年,米亞西舍夫設計局獲批在米亞-4“野牛”遠程轟炸機的基礎上設計了VM-T特種運輸機,用於大型航天器組件運輸。1981年4月,VM-T首飛成功。在服役期間,三架VM-T曾運送航天器150餘次,並多次承擔大型天然氣罐的空運任務,可謂功勞赫赫。而在蘇聯的航天飛機發展歷程中,VM-T也起到了不可替代的作用。1982年3月15日,VM-T成功運輸了裝載有航天飛機動力系統的運輸艙。同年12月28日,又運輸了載有航天飛機前後整流罩的運輸容器。1983年3月1 日,VM-T成功搭載航天飛機全尺寸機體樣機升空,證明使用該機運載航天飛機是可行的。1988年3月23日,VM-T承擔了向拜科努爾發射場運送“暴風雪”號航天飛機的任務,雖然飛行期間發生了一些問題,但最終任務圓滿完成,這為“暴風雪”號成為美國航天飛機以外唯一成功發射的可重複利用載人航天器起到了關鍵性的作用。

航天飛機運載機興衰錄——難能可貴的技術探索

□揹負航天飛機全尺寸樣機的VM-T。

從實踐來看,VM-T用於航天飛機運載是合格的,但限於米亞-4轟炸機的先天設計限制,該機機體寬度較窄、對航天飛機支撐能力相對較差,同時VM-T又繼承了米亞-4航程較短的缺陷(揹負31.5噸載荷時航程僅有1700千米),因此蘇聯在“暴風雪”號航天飛機的研製期間,就已經決定採用規模更大的運輸機來運載航天飛機。當時,蘇聯生產的飛機當中噸位和規格最大的是安-124“魯斯蘭”,這種1982年首飛的重型運輸機在機身尺寸、飛行性能上都與波音747相當,而載重能力還超過了波音747,因此用改裝後的安-124運載“暴風雪”理論上是可行的。但考慮到航天飛機運載任務的特殊性,同時運載航天飛機進行遠距離飛行需要性能更好的平臺,蘇聯最終選擇以安-124為基礎設計噸位更大的安-225。安-225從外觀上看最具特色的方面在於其“H”型尾翼和機翼下多達6臺的發動機,而該機巨大的體積則更為人所津津樂道。1989年5月12日,安-225成功揹負“暴風雪”號航天飛機進行了飛行試驗。然而不曾令人所想到的是,這一次飛行竟然是安-225唯一一次實現了其設計中的預定任務。

航天飛機運載機興衰錄——難能可貴的技術探索

□揹負“暴風雪”號航天飛機起飛的安-225。從兩者體積的對比,不難看出安-225的的巨大程度

如今,曾經叱吒風雲的航天飛機已經“英雄遲暮”,而當年為運載航天飛機而設計的NASA905和安-225卻仍然活躍在、並有了各自全新的任務領域,這種始料未及的結局,實在令人不禁慨嘆。平心而論,無論是航天飛機還是NASA905、安-225其實都有冷戰時代美蘇兩國爭霸在載人航天和航空工程技術方面的投射,在冷戰時代落幕後航天飛機解甲歸田、並與航天飛機運載機“勞燕分飛”也實屬必然。但無論從航天工程還是航空工程的角度來說,航天飛機與航天飛機運載器的組合體,仍然堪稱是當代最偉大的飛行器設計之一。今天回顧這種航空器與航天器的完美組合,我們仍會對當年航空航天工程技術人員的創舉感到驚奇,而這些難能可貴的技術探索,則已經成為人類進軍太空進程的一塊塊奠基石。


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